Может ли тёмная материя состоять из гравитонов?

Мы не обнаружили тёмную материю напрямую, но какая-то форма невидимой материи явно оказывает гравитационное воздействие на обычную материю. Может ли гравитон помочь нам разгадать эту загадку?

Одно из самых загадочных наблюдений, связанных со Вселенной, заключается в том, что в ней недостаточно материи — по крайней мере, той, о которой мы знаем, — чтобы объяснить то, что мы видим. В масштабах Солнечной системы общая теория относительности и наблюдаемые нами массы прекрасно справляются с этой задачей. Но в более крупных масштабах вращение отдельных галактик указывает на наличие в них большей массы, чем мы можем увидеть. Галактики в скоплениях движутся слишком быстро, а рентгеновские лучи показывают недостаточное количество обычной материи. Даже в космических масштабах должна присутствовать дополнительная масса, чтобы объяснить гравитационное линзирование, космическую паутину и неоднородность оставшегося после Большого взрыва свечения.

Хотя в подобных случаях мы обычно придумываем какую-нибудь новую частицу, одна интригующая идея относится исключительно к гравитации: может ли тёмная материя состоять только из гравитонов? В конце концов, другие известные взаимодействия во Вселенной — электромагнитные, сильные и слабые ядерные — по своей природе являются квантовыми, и их работа обеспечивается частицами, которые мы обнаружили. Хотя мы не уверены, что гравитация действительно является квантовой по своей природе, и мы никогда не обнаруживали гипотетический гравитон напрямую, возможно, было бы логично, если бы частица, переносящая гравитационное взаимодействие, заодно отвечала за то, что мы воспринимаем как тёмную материю.

Так может ли тёмная материя состоять из гравитонов? Могут ли гравитоны составлять хотя бы часть, а возможно, и всю тёмную материю? Давайте разбираться.

Этот фрагмент из симуляции структурообразования с уменьшенным масштабом расширения показывает миллиарды лет роста Вселенной, богатой тёмной материей. Со временем сверхплотные сгустки материи становятся больше и массивнее, превращаясь в галактики, группы и скопления галактик, в то время как менее плотные регионы в среднем предпочтительно отдают свою материю более плотным окружающим областям.

Первое, что мы должны рассмотреть, — это то, что мы уже знаем о Вселенной с астрофизической точки зрения. Ведь только наблюдая за самой Вселенной, мы получим всю информацию о тёмной материи, которая нам известна на сегодняшний день. Тёмная материя:

• должна быть комковатой, что говорит нам о том, что она должна иметь ненулевую массу покоя,

• не должна сталкиваться (почти не должна или даже совсем не должна) ни с обычной материей, ни с фотонами,

• должна минимально взаимодействовать с самой собой, то есть существуют довольно жёсткие ограничения на то, насколько сильно частицы тёмной материи могут сталкиваться и взаимодействовать друг с другом,

• должна быть холодной, что означает, что даже в ранние периоды существования Вселенной эта материя должна двигаться со скоростью значительно меньше световой.

Более того, если мы посмотрим на Стандартную модель элементарных частиц, то совершенно определённо обнаружим, что в ней нет ни одной известной частицы, которая могла бы стать хорошим кандидатом на тёмную материю, или которая могла бы составить хоть сколько-нибудь значительную долю «недостающей» тёмной материи Вселенной.

Все частицы и античастицы Стандартной модели уже непосредственно обнаружены, а последняя из них, бозон Хиггса, была обнаружена на БАКе в начале этого десятилетия. Сегодня безмассовыми являются только глюоны и фотоны; всё остальное имеет ненулевую массу покоя.

Нужно исключить любые частицы с электрическим зарядом, а также нестабильные частицы, способные распадаться. Нейтрино слишком лёгкие; они рождаются «горячими» и могли бы породить собой совсем другой тип тёмной материи, чем требуется, к тому же, судя по нашим космическим измерениям, они могут составлять лишь ~1% тёмной материи, не более. Составные частицы, такие как нейтрон, будут слипаться и группироваться вместе, слишком сильно теряя импульс и угловой момент; они слишком сильно взаимодействуют друг с другом. А другие нейтральные частицы, например глюоны, слишком сильно соединялись бы с другими обычными частицами, они слишком «коллизионные».

Из чего бы ни состояла тёмная материя, подобные частицы не похожи ни на одну, известную нам. Освободившись от этих ограничений (и учитывая, что существование тёмной материи оспаривать не приходится), мы можем свободно рассуждать о том, чем может быть тёмная материя. И хотя это, конечно, не самый популярный вариант среди физиков-теоретиков (которые чаще всего рассматривают на роль кандидатов частицы вроде WIMP и аксионов), необязательно существует корреляция между популярностью идеи среди теоретиков и тем, как на самом деле устроена Вселенная. Как выясняется, существует несколько причин, по которым стоит задуматься о гравитоне.

В процессе гравитационного микролинзирования фоновый свет от звезды искажается и увеличивается, так как находящаяся между ею и наблюдателем масса движется вблизи линии прямой видимости звезды. Гравитация искривляет пространство между светом и нашими глазами, создавая специфический сигнал, который позволяет определить массу и скорость объекта.

Причина № 1: гравитация существует и, скорее всего, имеет квантовую природу.

В отличие от многих кандидатов на тёмную материю, о которых чаще всего говорят, с гравитоном связано гораздо меньше спекуляций, чем почти с любой другой идеей в физике, выходящей за рамки стандартной модели. На самом деле, если гравитация, как и другие известные силы, окажется квантовой по своей природе, то существование гравитона просто необходимо. Это контрастирует со многими другими вариантами, среди которых:

• самая лёгкая суперсимметричная частица, которая потребует существования суперсимметрии, несмотря на горы доказательств её отсутствия,

• самая лёгкая частица Калуцы-Клейна, которая потребует существования дополнительных измерений, несмотря на полное отсутствие доказательств их существования,

• стерильное нейтрино, которое потребовало бы дополнительной физики в нейтринном секторе и сильно ограничено космологическими наблюдениями,

• или аксион, который потребовал бы существования по крайней мере одного нового типа фундаментального поля,

а также ещё множество других кандидатов. Единственное предположение, которое необходимо сделать, чтобы во Вселенной существовали гравитоны, — это то, что гравитация по своей природе является квантовой, а не описывается классической теорией общей относительности Эйнштейна на всех масштабах.

Чем больше длина волны фотона, тем меньше его энергия. Но все фотоны, независимо от длины волны/энергии, движутся с одной и той же скоростью — скоростью света. Количество длин волн, необходимых для преодоления определённого расстояния, может меняться, но время прохождения света одинаково для всех.

Причина №2: гравитоны необязательно безмассовые.

В нашей Вселенной гравитоны могут сцепляться друг с другом, образуя связанную структуру, только если у них ненулевая масса покоя. Теоретически гравитон — это безмассовая частица со спином 2, переносящая гравитационное взаимодействие. По наблюдениям за гравитационными волнами (которые сами, если гравитация квантовая, должны состоять из энергичных гравитонов), у нас есть очень сильные ограничения на максимальную массу гравитона: если у него есть масса покоя, она должна быть меньше, чем примерно ~10^-55 грамм.

Но каким бы крошечным ни было это ограничение, безмассовое решение тоже подойдёт, но при этом гравитон не обязан быть безмассовым. На самом деле, если гравитон подвержен квантовым взаимодействиям с некоторыми другими частицами, может оказаться, что он сам обладает массой покоя, и если это так, то гравитоны могут скапливаться вместе и группироваться. В достаточно большом количестве они даже могут составлять часть или всю тёмную материю во Вселенной. Помните: массивность, отсутствие столкновений, минимальное взаимодействие с самими собой и малая температура — вот астрофизические критерии, которым должна соответствовать тёмная материя, поэтому, если гравитоны обладают массой — а мы не ожидаем, что она у них будет, — они могут стать новыми кандидатами на тёмную материю.

Для планет, продолжающих вращаться вокруг звёздного остатка, такого как белый карлик, в который превратится наше Солнце через 8-10 миллиардов лет, скорее всего, останется лишь тонкая атмосфера или её не будет вовсе. Кроме того, эти объекты могут быть разорваны на осколки, особенно это касается таких хрупких выживших миров, как Марс.

Причина № 3: гравитоны и без того не должны взаимодействовать с квантами.

В физике каждый раз, когда два кванта занимают одно и то же пространство в одно и то же время, существует вероятность их взаимодействия. При взаимодействии два объекта могут обменяться импульсом и/или энергией; они могут снова разлететься, слипнуться, аннигилировать или спонтанно создать новые пары частица-античастица при наличии достаточной энергии. Независимо от того, взаимодействие какого рода происходит, суммарная вероятность всего, что может произойти, описывается одним важным физическим свойством: эффективным сечением.

Если эффективное сечение частицы равно 0, она считается невзаимодействующей, или полностью свободной от столкновений. Если гравитоны подчиняются физике, которой мы от них ожидаем, то мы можем вычислить их сечение: оно ненулевое, но обнаружение даже одного гравитона крайне маловероятно. Как показало исследование 2006 года, планета массой с Юпитер на небольшой орбите вокруг нейтронной звезды будет взаимодействовать примерно с одним гравитоном в десятилетие — такие редкие взаимодействия как раз подходят для того, чтобы соответствовать описанию тёмной материи. (Его эффективное сечение взаимодействия с фотонами просто смехотворно по своей мизерности). Так что с этой точки зрения у гравитонов нет никаких проблем в качестве кандидата на тёмную материю.

Когда гравитационная волна проходит через какую-либо точку пространства, она вызывает расширение и сжатие в разные моменты времени в разных направлениях, что приводит к изменению длины плеча лазера во взаимно перпендикулярных направлениях. Используя эти физические изменения, мы разработали успешные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO и Virgo. Если две гравитационные волны взаимодействуют друг с другом, то волны в основном проходят сквозь друг друга, и лишь небольшая часть общей волны (волн) проявляет столкновительные свойства.

Причина № 4: гравитоны обладают чрезвычайно низким самовзаимодействием.

Один из вопросов, который мне часто задают, — можно ли заниматься сёрфингом на гравитационных волнах или, если две гравитационные волны столкнутся, будут ли они взаимодействовать, как водяные волны, «разбивая» друг друга. Ответ на первый вопрос — «нет», а на второй — «да», но с трудом: гравитационные волны — и, следовательно, гравитоны — действительно взаимодействуют таким образом, но взаимодействие настолько слабо, что это совершенно незаметно.

Мы оцениваем гравитационные волны по амплитуде растяжения, то есть по тому, насколько сильно проходящая гравитационная волна заставляет само пространство «пульсировать». Когда две гравитационные волны взаимодействуют, основная часть каждой волны просто накладывается на другую, в то время как часть, которая делает что-то ещё, кроме прохождения друг через друга, будет пропорциональна перемноженным амплитудам растяжения каждой из них. Учитывая, что амплитуда растяжения обычно имеет размер порядка ~10^-20 или меньше, для её обнаружения потребуются огромные усилия. Повышение чувствительности на 20+ порядков практически немыслимо при нынешних ограничениях технологии. Что бы ещё ни говорилось о гравитонах, их самовзаимодействием можно пренебречь.

Но некоторые свойства гравитонов создают препятствия для того, чтобы они могли стать жизнеспособными кандидатами на роль тёмной материи. На самом деле есть две основные трудности, с которыми сталкивается эта теория, и именно поэтому гравитоны редко рассматривают в качестве убедительного варианта на эту роль.

Когда симметрия восстановлена (жёлтый шар вверху), всё симметрично, и нет никакого предпочтительного состояния. Когда симметрия нарушается при более низких энергиях (синий шар внизу), той же свободы, когда все направления одинаковы, уже нет. В случае электрослабой симметрии (или симметрии Хиггса) при её нарушении происходит спонтанный процесс, который придаёт массу частицам во Вселенной.

Трудность № 1: очень сложно генерировать «холодные» гравитоны.

В нашей Вселенной любые существующие частицы обладают определённой кинетической энергией, которая определяет, насколько быстро они перемещаются по Вселенной. По мере расширения Вселенной и перемещения этих частиц в пространстве произойдёт одно из двух:

• либо частица будет терять энергию по мере того, как её длина волны будет увеличиваться с расширением Вселенной, что происходит для безмассовых частиц,

• либо частица будет терять энергию, поскольку расстояние, которое она может преодолеть за определённое время, уменьшается из-за постоянно увеличивающегося расстояния между двумя точками, если это массивная частица.

В какой-то момент, независимо от того, как она родилась, все массивные частицы в конечном итоге будут двигаться медленнее скорости света: станут нерелятивистскими и холодными.

Единственный способ добиться этого для частицы с такой малой массой (как у массивного гравитона) — это «холодное рождение», когда происходит нечто, создающее их с ничтожно малой кинетической энергией, несмотря на массу, которая должна быть меньше ~10^-55 грамм. Таким образом, переход, который их создал, должен быть ограничен принципом неопределённости Гейзенберга: если время их создания происходит в течение интервала, который меньше, чем ~10 секунд, связанная с этим неопределённость энергии для них будет слишком большой, и они станут релятивистскими.

Каким-то образом — возможно, по аналогии с теоретическим порождением аксиона — они могут появляться с чрезвычайно малой кинетической энергией, и это появление должно происходить в течение относительно большого промежутка времени в космосе (по сравнению с крошечными долями секунды, характерными для большинства подобных событий). Это не критичное, но труднопреодолимое препятствие, требующее новой физики, которую нелегко обосновать.

Иллюстрация сильно искривлённого пространства-времени для точечной массы, что соответствует физическому сценарию нахождения за горизонтом событий чёрной дыры. Если гравитация переносится массивной частицей, то на больших расстояниях будут наблюдаться серьёзные отклонения от законов Ньютона и Эйнштейна. Тот факт, что мы этого не наблюдаем, даёт нам жёсткие ограничения на подобные отклонения, но исключает наличие массы у частицы.

Трудность №2: несмотря на наши теоретические надежды, гравитоны (и фотоны, и глюоны), скорее всего, безмассовые.

Пока что-то не установлено экспериментально или не наблюдалось, особенно трудно исключить альтернативы общепринятому представлению о том, как оно должно себя вести. С гравитонами — как и с фотонами и глюонами, единственными известными нам по-настоящему безмассовыми частицами, — мы можем лишь говорить об ограничениях на то, насколько массивными они могут быть. У нас есть верхние пределы разной степени жёсткости, но нет способа довести их до «нуля».

Однако мы можем отметить, что если какая-либо из этих теоретически безмассовых частиц действительно обладает ненулевой массой покоя, то нам придётся считаться с рядом неудобных фактов:

• Гравитация и электромагнетизм, если (соответственно) гравитон или фотон обладают массой, перестанут быть взаимодействиями бесконечного радиуса действия.

• Если частица, переносящая взаимодействие, массивна, то гравитационные волны и/или свет будут распространяться не со скоростью c, скоростью света в вакууме, а с более медленной скоростью, которую мы до сих пор просто не могли измерить.

• И мы получим теорию, отличную от общей теории относительности, работающей, когда вы принимаете массу гравитона равной нулю. Для устранения этой проблемы потребуется ряд ещё более, более неудобных предположений. (В частности, некоторые из них не позволяют Вселенной быть плоской, что противоречит наблюдениям; она сможет быть только незамкнутой, а это само по себе подразумевает наличие критически важных для теории нестабильностей).

Хотя идея массивной гравитации вызвала большой интерес в последнее десятилетие, в том числе благодаря недавнему прогрессу, вызванному в основном исследованиями Клаудии де Рам, она остаётся весьма спекулятивной идеей, которая может оказаться неработоспособной в рамках того, что уже установлено о нашей Вселенной.

На этом изображении массивная группа галактик в центре вызывает множество эффектов, соответствующих гравитационному линзированию. Свет фоновых галактик изгибается, растягивается и иным образом искажается, превращаясь в кольца и дуги, увеличиваясь линзой. Эта система гравитационных линз сложна, но информативна для изучения теории относительности Эйнштейна в действии.

Примечательно то, что мы больше не задаёмся вопросами типа «Почему тёмная материя не может состоять из гравитонов?». Вместо этого мы спрашиваем: «Если бы тёмная материя состояла из гравитонов, какими свойствами она обладала бы?» Ответ, как и для всех кандидатов в тёмную материю, заключается в том, что она должна быть холодной, свободной от столкновений, с сильно ограниченным самовзаимодействием и иметь массу. Хотя гравитоны, безусловно, подходят под это требование: они не подвержены столкновениям и почти не вступают во взаимодействие сами с собой, обычно предполагается, что они безмассовые, а не массивные, и даже если бы они были массивными, мы до сих пор не знаем, как могли бы появляться холодные версии гравитонов.

Но этого недостаточно, чтобы полностью исключить эту идею. Всё, что мы можем сделать, — это измерить Вселенную на том уровне, на котором мы способны её измерить, и сделать ответственные выводы: выводы, которые не выходят за пределы наших экспериментальных и наблюдательных ограничений. Мы можем ограничить массу гравитона и выявить последствия того, что произошло бы, если бы он действительно имел массу, но пока мы не раскроем истинную природу тёмной материи, мы должны держать наш разум открытым для всех возможностей, которые не были окончательно исключены. Хотя я бы не стал на это ставить, мы пока не можем исключить возможность того, что гравитоны, родившиеся холодными, порождают тёмную материю и составляют те недостающие 27 % Вселенной, которые мы давно ищем. Пока мы не знаем, какова истинная природа тёмной материи, мы должны изучить все возможности, какими бы неправдоподобными они ни были.